【導讀】比利時微電子研究中心（imec）的研究人員，推出為超音波成像應用所開發的創新第二代壓電式微機械超音波換能器（PMUT）數組。該數組具備一層氮化鋁鈧（AlScN）壓電層，在水中實現優異的影像擷取，波束控製深度達到10cm。此次取得的技術突破為曲麵感測、革命性醫療成像及監測這類複雜的超音波應用提供了發展條件。近期imec攜手其衍生新創Pulsify Medical
，一同推動心髒監測技術朝向非侵入式且無需醫師操作的方向發展。

—— 大麵積感測超音波數組的感測與應用

比利時微電子研究中心（imec）的研究人員，推出為超音波成像應用所開發的創新第二代壓電式微機械超音波換能器（PMUT）數組。該數組具備一層氮化鋁鈧（AlScN）壓電層，在水中實現優異的影像擷取
，波束控製深度達到10cm。此次取得的技術突破為曲麵感測、革命性醫療成像及監測這類複雜的超音波應用提供了發展條件。近期imec攜手其衍生新創Pulsify Medical
，一同推動心髒監測技術朝向非侵入式且無需醫師操作的方向發展。

超音波成像的技術進展

在zai非fei侵qin入ru性xing的de情qing況kuang下xia
，透tou過guo超chao音yin波bo成cheng像xiang來lai呈cheng現xian腹fu中zhong胎tai兒er影ying像xiang的de聲sheng波bo應ying用yong廣guang為wei人ren知zhi。透tou過guo發fa射she高gao頻pin聲sheng波bo到dao體ti內nei，並bing將jiang其qi反fan射she波bo轉zhuan換huan成cheng電dian訊xun號hao，就jiu能neng建jian立li實shi時shi的de影ying像xiang。除chu了le醫yi療liao成cheng像xiang，這zhe些xie聲sheng波bo也ye能neng應ying用yong在zai生sheng物wu辨bian識shi、（汽車或虛擬現實應用的）手勢辨識等其它領域。

超(chao)音(yin)波(bo)換(huan)能(neng)器(qi)目(mu)前(qian)普(pu)遍(bian)在(zai)半(ban)導(dao)體(ti)廠(chang)內(nei)製(zhi)造(zao)。針(zhen)對(dui)感(gan)測(ce)覆(fu)蓋(gai)麵(mian)積(ji)較(jiao)大(da)的(de)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)醫(yi)療(liao)成(cheng)像(xiang)應(ying)用(yong)
，大(da)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)必(bi)需(xu)
，但(dan)這(zhe)對(dui)矽(gui)基(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)說(shuo)極(ji)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)
，因(yin)為(wei)其(qi)單(dan)位(wei)麵(mian)積(ji)成(cheng)本(ben)（cost per mm2）高昂。

大麵積感測成像：壓電式微機械超音波換能器（PMUT）

2021年
，imec推出了采用玻璃基板且與平麵顯示器（FPD）製程兼容的壓電式微機械超音波換能器（PMUT）數組。這款超音波傳感器可以不用晶圓製程，而是與平麵顯示器（FPD）製程兼容
，使得符合成本效益的大型組件製造成為可能。
gengzhunquelaishuo，zhexiehuannengqishuzunengyuxianyoudebomojingtiguanbeibanjianrong，erqiezhezhonghuannengqijishubuhuishoudaojingyuanchicundexianzhi，suoyicaiyoukenengzhizaochudaguimoshuzu。jinguanruci

，yiwangdefuheyadiancailiaoxingnengshangbuzuyimanzugaoxingnengyiliaochengxiangdexuqiu。

 
圖一 : 第二代壓電式微機械超音波換能器（PMUT）。

現在imec展示了第二代的壓電式微機械超音波換能器（PMUT）數組，采用另一種壓電材料：氮化鋁鈧（AlScN）。

imec聲學傳感器研發計劃Listen2Future的計劃主持人Epimitheas Georgitzikis解釋：「因為我們之前采用玻璃基板來代替結晶矽
，就能排除組件麵積的限製。與前一代相比，這次開發的下一代壓電式微機械超音波轉換器（PMUT）還展現了10倍的聲壓。」 另也顯示其影像擷取距離高達10cm，水中壓力量測範圍落在7 kPa以上，很適合用於高性能超音波成像。

 
圖二 : 壓電式微機械超音波換能器（PMUT）製程的截麵示意圖：（a）選配薄膜晶體管（TFT）和／或彈性層的背板；（b）包含金屬—絕緣體—金屬（MIM）堆棧的前板；（c）把前板接合至背板，並移除前板；（d）金屬穿孔導線，以建立前板與背板之間的電性連接。

 
圖三 : 壓電式微機械超音波換能器（PMUT）的組件特征 附圖顯示本研究所製造的壓電式微機械超音波換能器（PMUT）顯微影像及其腔麵的截麵圖。

靈活應用超音波成像的開發前景

「xiajieduanfazhanbaohanjingjinzhexiangjishu，yijijiangzhekuanzujiantiaozhengdaobutongdetedingpinlv。zhemeyilai
，zhexiangjishujiangnengbadaxingchaoyinboshuzuyongyuxiangshirentichuanganqihuoshiqicheyibiaobandequmiangance，tuidongchaoyinbogongnengyudaxingfeipingmianduixiangdezhenghe，suoyichuangxinchaoyinboyingyongdedahaoqijijianghuifuxian。」

imec與Pulsify Medical合(he)作(zuo)
，建(jian)立(li)了(le)一(yi)款(kuan)用(yong)於(yu)心(xin)髒(zang)監(jian)測(ce)的(de)概(gai)念(nian)驗(yan)證(zheng)性(xing)硬(ying)性(xing)醫(yi)療(liao)貼(tie)布(bu)，推(tui)動(dong)非(fei)侵(qin)入(ru)性(xing)的(de)院(yuan)外(wai)長(chang)期(qi)監(jian)測(ce)應(ying)用(yong)，且(qie)無(wu)須(xu)醫(yi)師(shi)介(jie)入(ru)。聲(sheng)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)研(yan)究(jiu)計(ji)劃(hua)Listen2Future為歐盟資助的研究計劃部分，目前仍在進一步開發彈性的超音波貼布。
本研究結果詳述於〈一款與平麵顯示器製程兼容的超音波平台〉（A flat-panel-display compatible ultrasound platform）一文中，並發表於國際信息顯示學會（The Society for Information Display）的2023 年顯示周（Display Week 2023） 。聲學傳感器研發計劃Listen2Future是一項歐盟資助的研究計劃，進行壓電聲學換能器的研發和基準檢驗
，擁有橫跨七國的27個研究夥伴

，由英飛淩科技（Infineon Technology Austria AG）負責協調溝通。

（本文作者Erwin Hijzen與Epimitheas Georgitzikis為imec微機電超音波研究計劃負責人）

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